发电厂循环水泵节能方法

范超

摘要：发电厂循泵节能方法主要分为两大类，一是循泵转速不变，包括增加一台备用循泵和调节叶片角度，二是变速运行，实现变速的具体手段有变极调速和高压变频器等。这些节能方法各有特点，本文分别介绍其基本原理和主要优缺点，为已运行电厂技术改造、新设计电厂循泵选型提供参考。

关键词：循环水泵、节能、叶片角调节、变极调速、变频器

在以海水作为冷源的核电厂和火电厂中，循环水泵是典型的大功率泵，在厂用电中占比高。早期火电厂普遍配置两台不具有调速功能的循环水泵，在冬季海水温度较低时，凝汽器出口海水温度依然很低，对循环水泵出力造成了浪费。部分内陆火电厂采用城市污水处理后的中水作为冷源，伴随季节交替也有明显的温度变化。随着国家对节能减排的重视，近些年部分电厂通过技术改造，实现了循环水泵的变速运行。核电厂相比火电厂起步晚，起点高，普遍采用了变速循环水泵或者增加备用泵的方式实现节能运行。本文对发电厂循环水泵各类节能方法的基本原理和主要优缺点进行介绍。

1、循泵转速不变

1.1增加备用循泵

国内电厂主汽轮机普遍采用三个低压缸，对应凝汽器有三个，每个凝汽器分为两个水室，大部分电厂三个凝汽器的三个水室对应一台循环水泵，另外三个水室对应另一台循环水泵，即采用两台大功率循环水泵。两台循泵满出力运行设计工况为夏季海水温度最高点，对应着凝汽器真空度最低点，在冬季海水温度低时，循泵全流量运行则对凝汽器真空提升有限，造成浪费。

江苏某核电二期、山东某核电一期等电厂采用三台相对小功率循泵，三台循泵出口连接为一条母管，可以同时为全部凝汽器水室供冷却水。依据海水温度切换运行方式，在冬季时两台循泵运行，夏季时三台泵全部运行。在两台泵运行工况，如一台泵发生故障导致跳闸，还可以启动备用泵，机组功率能够相对更快恢复，损失发电能力小。相较其他调速方法，增加备用泵具有最高的可靠性，同时投入资金成本也最高，占地面积最高，增加的设备维护工作也比较多。另外备用泵只有运行和停运两种非线性状态，节能不够精细。

1.2调节叶片角

浙江某核电一期采用三菱重工生产的动叶可调式循环水泵，通过改变叶片角度实现泵的扬程变化，在国内核电厂和火电厂属于首次应用。基本原理为以液压油为驱动力，通过传动机构改变循泵叶片角度，主要设备部件有油单元、叶片控制单元、叶片控制机构等。油单元油泵连续运行，为叶片控制单元提供液压油。叶片控制电机带动连杆改变导向阀的方向，进而改变油路进入联轴器液压缸的上腔室或下腔室，推动液压缸上下动作，带动中空泵轴内的连杆机构动作，改变循泵叶片角度。

这种叶片调节方式理论上可以根据循环水温度经常手动调节循泵叶片角度，有利于更多的微增电厂出力。但手动频繁调节循泵叶片角度，一方面增加运行人员操作负担，另一方面可能对循泵叶片角度调节机构的可靠运行产生不利影响，因此存在调节叶片时间间隔需要大于一个月的运行限制。浙江某核电实际运行中，根据海水温度变化，一年调节两次循泵叶片角度。叶片角调节有良好的线性，可使循泵运行在比较大的流量范围区间。循泵启动前将叶片角度设置为零，有利于降低循泵电机启动功率，但电机依然为全速启动，相比变频器的软启动，启动电流仍然较大。另外叶片调节机构结构复杂，技术、制造工艺要求高，循泵叶轮浸没在海水中，叶片调节机构的叶片操作机构与叶片联接附加了很多密封装置，这些密封的部位如果出现锈蚀，叶片调节机构很可能被锈死，造成无法动作[1]。由于叶片角调节与循泵为一体化，无法用于技术改造。

2、采用调速循泵

2.1变极调速

通过循环水泵电机外部的开关切换，改变电机定子绕组的串并联关系，进而改变电机的极对数，可以实现双速、三速、四速运行，一般以双速为主。主要的切换方法有三断路器、单断路器加就地切换柜、单断路器三种方法。三断路器分别为高速电源开关、低速电源开关和中性点短接开关，配合控制回路可以实现不停运循泵进行转速切换，具有操作简单、切换时间短的优点，但是相比另外两种切换方法投资较高，逻辑较复杂。单断路器方案即为在电源开关和循泵电机之间增加就地切换柜，当循泵停运后，手动操作切换柜内的高速、低速和中性点短接隔离开关进行转速切换，优点是用隔离开关代替了断路器，投资少，缺点是要停运循泵，这一点限制了这种切换方法不能用于核电厂，压水堆核电厂通常的大修周期为18个月，要求循泵连续运行的时间长。第三种切换方法是单断路器，在循泵停运后，通过在电机接线盒内改变星三角接法实现变速，优点是投资少、占地小，缺点是需要停运循泵以及变接线相对复杂，人因失误风险高。电机变极调速由于两个速度运行时的保护定值不同，在转速切换时还需要对电气保护进行切换[2]。

相较其他调速方式，变极调速具有投资费用低、维护保养简单、运行方便可靠的优点。缺点是调速非线性，节能效果不如叶片角调节和高压变频器，江苏某核电一期采用了高低速循泵，并且发生过转速切换时电气柜故障致使切换失败，导致循泵停运的事件。

2.2高压变频器

在中压馈线开关和循泵电机之间，安装高压变频器，通过电源频率的变化，实现循泵转速调节。变频器为厂家成套供货，通常包括控制柜、变压器柜、功率单元柜和旁路柜等。正常运行时采用变频运行，当变频器发生重故障时，切换为工频运行，徐大堡核电二期和江苏某核电多台机组均采用变频循泵，设计上均不能自动切换，这样在变频器故障时需要循泵完全停运后再手动切换到工频重新启动，导致损失一部分发电功率。江苏某核电三期商运后通过技术改造实现了自动切换功能。

使用变频器可以做到循泵转速的线性调节，并能够根据海水温度自动调节频率，调节方便快速。另外使用变频器启动可以避免普通电机启动时的大电流，延长了电机寿命。缺点是变频器电气零部件多，可靠性低，故障诊断相对复杂，对维修人员技能要求高，造价高。另外变频器占地空间大，需要为变频器设置独立的房间，并且对环境清洁度和温湿度要求比较高，需要为变频器房间设置独立通风空调系统，又增加了初始投资和运行维护成本。目前江苏某核电三期采用变频循泵已稳定运行约三年时间，没有发生过重故障。江苏某核电循泵变频器厂家为东芝三菱，徐大堡核电二期采用国产变频器，后续运行情况值得关注。

2.3其他调速方法

其他的电机调速方法有液力耦合器和永磁调速，这两种方法都是在电机和泵之间加装调速装置。调速型液力耦合器是依靠旋转泵轮带动液压油旋转，是电机旋转机械能转化为流体动能再转化为水泵机械能的过程，传递的能量有限，在发电厂主给水泵组上有应用，在循环水泵上尚无应用。永磁调速器是利用永磁场与感应磁场的耦合作用来实现调速，永磁调速目前能够传递的功率最大约为3兆瓦，而百万千瓦级电厂的循泵功率在6兆瓦左右，可考虑应用在小容量电厂循环水泵或者电厂内其他水泵和风机上。

3、结束语

本文中主要介绍的四种循环水泵节能方法各有优缺点。增加备用循泵的方案由于投资和占地大，并且投运后基本不能进行改造，在新建电厂中已经很少使用。叶片角调节的方法在日本电厂应用较多，由于对叶片调节单元制造工艺要求高，在国内使用较少。采用变频循泵调速性能好，可以实现最佳的节能效果，但是从浙江某核电一期主泵变频器的运行情况发现高压工业变频器的故障率依然较高。循环水泵运行调速需求不强，受季节影响大，采用双速循泵在我国电厂节能改造中比较普遍，而且从浙江某核电一期循泵叶片角调节经验发现，循泵转速调节根据季节交替，每年变速两次已经足够，需要设计单位针对电厂厂址的冷源参数合理设计循泵的两个速度平台，实现良好的节能效果。另外液力耦合器和永磁调速可以应用到电厂内其他的泵和风机上，尤其永磁调速是新技术，优点多，其后续发展情况也值得关注。

参考文献：

[1] 许志攀.AP1000核电厂叶片可调式循环水泵结构原理及特点分析[J].科技创新导报，2015,36，141~142

[2]付建华.发电厂循环水泵变极调速系统节能研究及应用[D].华北电力大学，2014.6